CN101942885A - 一种frp-竹-混凝土组合梁 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种FRP-竹-混凝土组合梁，其特征在于该结构包括竹材(1)、FRP筋(21)或FRP布(22)、混凝土(3)和连接件(4)四部分，共同组成FRP-竹-混凝土组合梁；其中：FRP筋(21)或FRP布(22)位于竹材(1)的中下部截面内或底部，承担拉应力，混凝土(3)位于竹材(1)的上部或中上部的两个侧面，承担压应力，混凝土(3)通过连接件(4)与竹材(1)紧密相连。本发明充分利用了3种材料的特点，大幅度地提高了原竹梁的截面惯性矩，从而有效提高了原竹梁构件的刚度，具有自重轻、承载力大、刚度大、抗扭能力强、延性好、自恢复能力强等优点，可应用于土木建筑结构领域中的受弯构件。

Description

一种FRP-竹-混凝土组合梁

技术领域

本发明涉及一种竹梁构件，尤其是一种竹材与其它材料的组合梁构件，属于土木建筑结构领域。

背景技术

在当前发展低碳经济的大背景下，绿色、生态、环保、低碳的新型建筑结构材料是土木工程科技发展的必然方向。竹材最大的优势是绿色环保和原材料可再生，竹材具有较高的强重比，可达钢材的3～6倍，远胜于混凝土等材料，竹材变形能力强，同时又具有较高的强重比、较好的弹性与韧性，利用竹质工程材料建造的竹结构建筑体系已经得到了实践应用，竹结构具有施工速度快，构件、节点易标准化，易工业化生产的优点。但是，作为竹结构的主要受力构件——竹梁，无论是采用竹帘胶合板、竹材层积材，还是竹材重组材加工制作，其在应用中存在以下问题：

竹材的弹性模量低，竹梁作为受弯构件设计时都为截面的刚度控制设计，按挠度限值(GB50005-2003《木结构设计规范》规定，梁和格栅的挠度限值为L/250)验算的极限承载力大约是按强度验算极限承载力的20％～30％，造成材料较低的强度利用率，截面设计较大，经济性差；竹梁截面下部受拉区的缺陷对强度降低的影响较大，造成实际力学性能较离散，往往由于受拉区的局部缺陷提前破坏；竹梁的破坏模式典型特征是底部受拉区竹纤维达到极限拉应变，破坏模式较脆，破坏过程较短暂，与结构构件对延性的需求不相符。

针对竹材工程材料力学性能的不足，需寻求改善与增强的技术措施，才能提高其对工程结构的适用性，如中国专利第“02120518.3”号，公开了一种“重组竹材胶合板制造方法”，用该方法制造的竹材胶合板，提高了强度和利用率，但其弹性模量基本未得到提高；如中国专利第“200520010970.6”号，公开了一种“一种毛竹玻璃纤维复合梁柱”，通过在毛竹四周填充之后包覆玻璃纤维树脂层，对毛竹进行增强，提高其寿命，节约材料，但该技术针对毛竹的原竹，其难以适应现代工程结构的要求；又如中国专利第“02277578.1”号，公开了一种“一种新型竹纤维塑料复合板”，提供了在竹纤维板材的夹层层间放置金属网层或玻璃纤维网层的一种复合板，但该技术主要着眼于对板材强度的提高，金属网层或玻璃纤维网层对截面刚度提高非常有限。

总之，目前公知的技术尚不能解决竹梁应用所存在的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种能广泛应用于土木建筑结构领域的FRP-竹-混凝土组合梁，克服现有竹梁的不足，提高现有竹梁的跨越能力，用于桥梁、建筑等各类结构的受弯构件。

在本发明中，FRP-竹-混凝土组合梁由竹材、FRP筋或FRP布、混凝土和连接件四部分共同组成；其中：FRP筋或FRP布位于竹材的中下部截面内或底部，承担拉应力，混凝土位于竹材的上部或中上部的两个侧面，承担压应力，混凝土通过连接件与竹材紧密相连。

本发明的基本原理如下：FRP筋或FRP布布置于截面下部，对截面受拉区增强，利用FRP筋或FRP布较高的抗拉强度和弹性模量提高构件的承载力与刚度，混凝土布置于截面上部，对受压区增强，利用混凝土较高的抗压能力，增加原矩形竹梁的截面惯性矩，大幅度提高截面刚度，竹材具有较高的强重比、较好的弹性与韧性及加工性能，通过竹材将3种材料组合为一体，充分发挥各自的长处，提高竹材构件对建筑结构的适用性。

所述的FRP-竹-混凝土组合梁，FRP筋位于竹材的中下部截面内，为竹材所包裹，FRP筋在竹材压制前植入竹坯料相应位置，二者通过压制胶结形成整体。

所述的FRP-竹-混凝土组合梁，FRP布位于竹材的中下部截面内或底部，FRP布可为一层或多层，通过胶结与竹材压制形成整体。

所述的混凝土位于竹材的上部或中上部的两个侧面，位于上部时，其宽度大于或等于竹材的宽度，位于竹材中上部的两个侧面时，其呈左右对称布置，顶面与竹材的顶面齐平，混凝土通过连接件与竹材连接成一体。

所述的竹材可为竹材重组材或竹材层积材或竹帘胶合板中的一种，竹材重组材采用辗压竹丝束浸胶组坯压制，竹材层积材采用竹篾浸胶组坯压制，竹帘胶合板采用竹篾编帘浸胶组坯压制，竹材与混凝土的界面作凿毛处理，以提高其与混凝土之间的粘结力。

所述的FRP筋或FRP布位于竹材的中下部截面内时，FRP筋或FRP布在竹材压制前植入竹坯料相应位置，通过压制与竹材胶结形成整体；FRP布位于竹材的截面底部时，在竹材压制完成后，将FRP布加压粘贴于竹材的底部胶结形成整体；FRP筋或FRP布的纤维增强材料可为碳纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维、芳纶纤维中的一种或其中的几种混杂而成。

连接件为钢筋或FRP筋制作，通过在竹材顶部或中上部的两个侧面后打孔植入竹材的内部，平面宜为梅花形交叉布置，外部预留5cm～10cm长度，后浇筑于混凝土内，当采用钢筋制作时，外留部分端部可设置成弯钩，提高锚固效果，连接件的作用是传递剪力，保证截面竹材部分与混凝土部分形成整体，共同工作。

本发明克服了竹梁的一些公知的缺陷，具有以下有益效果：

(1)FRP-竹-混凝土组合梁截面，大幅度地提高了原竹梁的截面惯性矩，从而有效提高了原竹梁构件的刚度，彻底改变竹梁刚度控制设计的不利局面；

(2)FRP配置在竹梁截面受拉区，可充分发挥FRP较高的抗拉强度，并且较大程度地改善原竹构件力学性能离散及脆性的破坏模式，减小其局部缺陷对力学性能的降低；

(3)用混凝土作为FRP-竹-混凝土组合梁的受压区，充分利用混凝土抗压能力强的特点，竹材作为组合梁的主体，其具有较高的强重比、较好的弹性与韧性及加工性能，并在受拉区得到FRP的进一步增强，该结构充分利用3种材料的特点，具有自重轻、承载力大、刚度大、抗扭能力强、延性好、自恢复能力强等优点；

(4)相对于混凝土结构、钢结构等传统结构，其生产与加工过程环境污染小，能耗低，降低了钢材需求，相对于木结构，承载能力大，跨越能力强，延性和自恢复能力好；

(5)竹子可再生能力强，生长周期短，环保节能。

附图说明

以下附图仅旨在于对本发明做示意性说明和解释，并不限定本发明的范围。

图1是FRP筋配置于竹材的中下部截面内、混凝土位于竹材的上部的FRP-竹-混凝土组合梁的截面；

图2是FRP布配置于竹材的中下部截面内、混凝土位于竹材的上部的FRP-竹-混凝土组合梁的截面；

图3是FRP布配置于竹材的底部、混凝土位于竹材的上部的FRP-竹-混凝土组合梁的截面；

图4是FRP筋配置于竹材的中下部截面内、混凝土位于竹材中上部的两个侧面的FRP-竹-混凝土组合梁的截面；

图5是FRP布配置于竹材的中下部截面内、混凝土位于竹材中上部的两个侧面的FRP-竹-混凝土组合梁的截面；

图6是FRP布配置于竹材的底部、混凝土位于竹材中上部的两个侧面的FRP-竹-混凝土组合梁的截面。

在附图中，1为竹材，21为FRP筋，22为FRP布，3为混凝土，4为连接件。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明的具体实施方式。如图1至图6所示，本发明提供一种FRP-竹-混凝土组合梁，该结构包括竹材1、FRP筋21或FRP布22、混凝土3和连接件4四部分，共同组成FRP-竹-混凝土组合梁；其中：FRP筋21或FRP布22位于竹材1的中下部截面内或底部，承担拉应力，混凝土3位于竹材1的上部或中上部的两个侧面，承担压应力，混凝土3通过连接件4与竹材1紧密相连。

具体实施中，FRP筋21或FRP布22与竹材1通过压制胶结形成整体，在竹材1顶部或中上部的两个侧面打孔植入连接件4，连接件4外部预留5cm～10cm长度，凿毛处理竹材1与混凝土的界面，按尺寸制作模板，浇筑混凝土3，混凝土3通过连接件4与竹材1紧密相连，形成FRP、竹材、混凝土组合为一体的FRP-竹-混凝土组合梁结构。

实施例一：

如图1，一种FRP-竹-混凝土组合梁，包括竹材1、FRP筋21、混凝土3和连接件4四部分，FRP筋21位于竹材1的中下部截面内，为竹材1所包裹，FRP筋21在竹材1压制前植入竹坯料相应位置，二者通过压制胶结形成整体，混凝土3位于竹材1的上部，其宽度大于或等于竹材1的宽度，混凝土3通过连接件4与竹材1紧密相连。

实施例二：

如图2，一种FRP-竹-混凝土组合梁，包括竹材1、FRP布22、混凝土3和连接件4四部分，FRP布22位于竹材1的中下部截面内，复合于竹材1的内部，FRP布22在竹材1压制前植入竹坯料相应位置，二者通过压制胶结形成整体，混凝土3位于竹材1的上部，其宽度大于或等于竹材1的宽度，混凝土3通过连接件4与竹材1紧密相连。

实施例三：

如图3，一种FRP-竹-混凝土组合梁，包括竹材1、FRP布22、混凝土3和连接件4四部分，FRP布22位于竹材1的截面底部，在竹材1压制完成后，将FRP布22加压粘贴于竹材1的底部胶结形成整体，混凝土3位于竹材1的上部，其宽度大于或等于竹材1的宽度，混凝土3通过连接件4与竹材1紧密相连。

实施例四：

如图4，一种FRP-竹-混凝土组合梁，包括竹材1、FRP筋21、混凝土3和连接件4四部分，FRP筋21位于竹材1的中下部截面内，为竹材1所包裹，FRP筋21在竹材1压制前植入竹坯料相应位置，二者通过压制胶结形成整体，混凝土3位于竹材1的中上部的两个侧面，呈左右对称布置，其顶面与竹材1的顶面齐平，混凝土3通过连接件4与竹材1紧密相连。

实施例五：

如图5，一种FRP-竹-混凝土组合梁，包括竹材1、FRP布22、混凝土3和连接件4四部分，FRP布22位于竹材1的中下部截面内，复合于竹材1的内部，FRP布22在竹材1压制前植入竹坯料相应位置，二者通过压制胶结形成整体，混凝土3位于竹材1的中上部的两个侧面，呈左右对称布置，其顶面与竹材1的顶面齐平，混凝土3通过连接件4与竹材1紧密相连。

实施例六：

如图6，一种FRP-竹-混凝土组合梁，包括竹材1、FRP布22、混凝土3和连接件4四部分，FRP布22位于竹材1的截面底部，在竹材1压制完成后，将FRP布22加压粘贴于竹材1的底部胶结形成整体，混凝土3位于竹材1的中上部的两个侧面，呈左右对称布置，其顶面与竹材1的顶面齐平，混凝土3通过连接件4与竹材1紧密相连。

如上所述的FRP-竹-混凝土组合梁，竹材1可为竹材重组材或竹材层积材或竹帘胶合板中的一种，竹材重组材采用辗压竹丝束浸胶组坯压制，竹材层积材采用竹篾浸胶组坯压制，竹帘胶合板采用竹篾编帘浸胶组坯压制，竹材1的与混凝土的界面作凿毛处理，以提高其与混凝土3之间的粘结力。

FRP筋21或FRP布22位于竹材1的中下部截面内时，FRP筋21或FRP布22在竹材1压制前植入竹坯料相应位置，通过压制与竹材1胶结形成整体；FRP布22位于竹材1的截面底部时，在竹材1压制完成后，将FRP布22加压粘贴于竹材1的底部胶结形成整体；FRP布22可为一层或多层。

连接件4为钢筋或FRP筋制作，通过在竹材1顶部或中上部的两个侧面后打孔植入竹材1的内部，平面宜为梅花形交叉布置，外部预留5cm～10cm长度，后浇筑于混凝土3内，当采用钢筋制作时，外留部分端部可设置成弯钩，提高锚固效果，连接件4的作用是传递剪力，保证截面竹材部分与混凝土部分形成整体，共同工作。

FRP筋21或FRP布22的纤维增强材料可为碳纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维、芳纶纤维中的一种或其中的几种混杂而成。

Claims (8)

1.本发明提供一种FRP-竹-混凝土组合梁，其特征在于该结构包括竹材(1)、FRP筋(21)或FRP布(22)、混凝土(3)和连接件(4)四部分，共同组成FRP-竹-混凝土组合梁；其中：FRP筋(21)或FRP布(22)位于竹材(1)的中下部截面内或底部，承担拉应力，混凝土(3)位于竹材(1)的上部或中上部的两个侧面，承担压应力，混凝土(3)通过连接件(4)与竹材(1)紧密相连。

2.根据权利要求1所述的一种FRP-竹-混凝土组合梁，其特征在于FRP筋(21)位于竹材(1)的中下部截面内，为竹材(1)所包裹，FRP筋(21)在竹材(1)压制前植入竹坯料相应位置，二者通过压制胶结形成整体。

3.根据权利要求1所述的一种FRP-竹-混凝土组合梁，其特征在于FRP布(22)位于竹材(1)的中下部截面内或底部，FRP布(22)可为一层或多层，通过胶结与竹材(1)压制形成整体。

4.根据权利要求1、2或3所述的一种FRP-竹-混凝土组合梁，其特征在于所述的混凝土(3)位于竹材(1)的上部，其宽度大于或等于竹材(1)的宽度。

5.根据权利要求1、2或3所述的一种FRP-竹-混凝土组合梁，其特征在于所述的混凝土(3)位于竹材(1)的中上部的两个侧面，呈左右对称布置，其顶面与竹材(1)的顶面齐平。

6.根据权利要求1所述的一种FRP-竹-混凝土组合梁，其特征在于连接件(4)为钢筋或FRP筋制作，通过在竹材1顶部或中上部的两个侧面后打孔植入竹材(1)的内部，外部预留5cm～10cm长度，后浇筑于混凝土(3)内。

7.根据权利要求1所述的一种FRP-竹-混凝土组合梁，其特征在于竹材(1)可为竹材重组材或竹材层积材或竹帘胶合板中的一种，其与混凝土的界面作凿毛处理。

8.根据权利要求1所述的一种FRP-竹-混凝土组合梁，其特征在于所述的FRP筋(21)或FRP布(22)的纤维增强材料可为碳纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维、芳纶纤维中的一种或其中的几种混杂而成。

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